FR2924489A1 - MAGNETOCALORIC GENERATOR - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un générateur (1) comportant au moins un étage thermique (10) pourvu d'éléments actifs (2) à base de matériau magnétocalorique disposés autour d'un axe central (A) et un arrangement magnétique (3) porté par un arbre moteur (30) confondu avec l'axe centre (A) entraîné en rotation par un actionneur pour soumettre les éléments actifs (2) à une variation de champ. Ce générateur (1) comporte de part et d'autre de l'étage thermique (10) un ensemble de pistons (70) associé à un réservoir de fluide (74) pour pousser le fluide caloporteur au travers des éléments actifs (2), ces pistons étant entraînés en translation alternative dans des chambres (73) par au moins une came (71 ) couplée en rotation avec l'arbre moteur (30). Ce générateur (1) est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de circulation forcée (8a) pourvus de petits pignons (80) satellites disposés autour de l'axe central (A), portés par le corps (72) du générateur (1) et engrenant une couronne dentée intérieure (81) solidaire de la came (71), chaque pignon (80) formant une mini pompe à engrenage brassant le fluide caloporteur et le mettant en circulation forcée dans lesdits réservoirs (74) et lesdites chambres (73).The present invention relates to a generator (1) comprising at least one thermal stage (10) provided with active elements (2) based on magnetocaloric material arranged around a central axis (A) and a magnetic arrangement (3) carried by a driving shaft (30) coinciding with the center axis (A) rotated by an actuator to subject the active elements (2) to a field variation. This generator (1) comprises on both sides of the thermal stage (10) a set of pistons (70) associated with a fluid reservoir (74) for pushing the coolant through the active elements (2), these pistons being driven in alternative translation in chambers (73) by at least one cam (71) coupled in rotation with the motor shaft (30). This generator (1) is characterized in that it comprises forced circulation means (8a) provided with small pinions (80) satellites arranged around the central axis (A), carried by the body (72) of the generator ( 1) and meshing an inner ring gear (81) integral with the cam (71), each pinion (80) forming a mini gear pump stirring the heat transfer fluid and forcing it into said tanks (74) and said chambers ( 73).
Description
GENERATEUR MAGNETOCALORIQUE Domaine technique : La présente invention concerne un générateur magnétocalorique comportant au moins un étage thermique pourvu d'éléments actifs à base de matériau magnétocalorique disposés autour d'un axe central, un arrangement magnétique porté par un arbre moteur entraîné en rotation autour dudit axe central par un actionneur, et agencé pour soumettre lesdits éléments actifs à une variation de champ magnétique, au moins un fluide caloporteur contenu dans ledit générateur, ce fluide étant poussé au travers desdits éléments actifs par des moyens de poussée, et au moins une chambre d'échange dite froide et une chambre d'échange dite chaude destinées à être couplées respectivement à des circuits extérieurs d'utilisation. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetocaloric generator comprising at least one thermal stage provided with active elements based on magnetocaloric material arranged around a central axis, a magnetic arrangement carried by a motor shaft driven in rotation around said axis. central by an actuator, and arranged to subject said active elements to a magnetic field variation, at least one heat transfer fluid contained in said generator, this fluid being pushed through said active elements by pushing means, and at least one chamber of so-called cold exchange and a so-called hot exchange chamber intended to be coupled respectively to external circuits of use.
Technique antérieure : Prior art:
La technologie du froid magnétique est connue depuis plus d'une vingtaine d'années et on sait les avantages qu'elle apporte en termes d'écologie et de développement durable. On connaît également ses limites quant à sa puissance calorifique utile et à son rendement. Dès lors, les recherches menées dans ce domaine tendent toutes à améliorer les performances d'un tel générateur, en jouant sur les différents paramètres, tels que la puissance d'aimantation, les performances des éléments actifs en matériau magnétocalorique, la surface d'échange entre le fluide caloporteur et ces éléments actifs, les performances des échangeurs de chaleur, etc. The magnetic cold technology has been known for more than twenty years and we know the benefits it brings in terms of ecology and sustainable development. Its limits are also known as to its useful calorific power and its efficiency. Therefore, research in this area all tend to improve the performance of such a generator, by playing on the various parameters, such as the magnetization power, the performance of the active elements in magnetocaloric material, the exchange surface between the heat transfer fluid and these active elements, the performance of the heat exchangers, etc.
Le générateur magnétocalorique décrit dans la précédente demande de brevet déposée sous le numéro FR 07/07612 par le même demandeur comporte un ou plusieurs modules thermiques empilés pour former un ou plusieurs étages thermiques, comportant chacun N éléments actifs en matériau magnétocalorique adjacents, disposés en cercle autour d'un axe central et soumis à une variation de champ magnétique pour faire varier leur température. Ces éléments actifs sont associés à N pistons animés d'un mouvement de translation alternatif par une came de commande afin de pousser le fluide caloporteur contenu dans le module thermique simultanément dans deux directions opposées, de sorte qu'une première fraction de fluide caloporteur est poussée à travers les éléments actifs soumis à un cycle de chauffage en direction d'une chambre dite chaude, et qu'une seconde fraction de fluide caloporteur est poussée à travers les éléments actifs soumis à un cycle de refroidissement en direction d'une chambre dite froide, et inversement. The magnetocaloric generator described in the previous patent application filed under the number FR 07/07612 by the same applicant comprises one or more thermal modules stacked to form one or more thermal stages, each comprising N active elements in adjacent magnetocaloric material, arranged in a circle around a central axis and subjected to a variation of magnetic field to vary their temperature. These active elements are associated with N pistons driven by an alternating translational movement by a control cam in order to push the heat transfer fluid contained in the thermal module simultaneously in two opposite directions, so that a first fraction of heat transfer fluid is pushed through the active elements subjected to a heating cycle towards a so-called hot chamber, and a second fraction of coolant is pushed through the active elements subjected to a cooling cycle towards a so-called cold chamber and vice versa.
Ainsi, on obtient un nombre N de mini ou micro générateurs thermiques fonctionnant simultanément et en parallèle, permettant de multiplier par le coefficient N la surface d'échange entre les éléments actifs et le fluide caloporteur, augmentant ainsi le pouvoir calorifique d'un tel générateur. De plus, chaque cycle magnétique est utilisé de manière optimale puisque le déplacement du fluide caloporteur dans les deux sens de circulation permet de collecter simultanément les calories produites par les éléments actifs soumis à une augmentation du champ magnétique (cycle de chauffage) et les frigories produites par les éléments actifs soumis à une diminution du champ magnétique (cycle de refroidissement), sans temps mort, ni cycle perdu. Thus, a number N of mini or micro thermal generators operating simultaneously and in parallel is obtained, making it possible to multiply the surface of exchange between the active elements and the coolant by the coefficient N, thus increasing the heating value of such a generator. . In addition, each magnetic cycle is used optimally since the displacement of the heat transfer fluid in both directions of circulation makes it possible simultaneously to collect the calories produced by the active elements subjected to an increase in the magnetic field (heating cycle) and the frigories produced. by the active elements subjected to a decrease of the magnetic field (cooling cycle), without dead time, nor lost cycle.
On connaît, par ailleurs, d'autres générateurs magnétocaloriques dans lesquels le fluide caloporteur est mis en circulation forcée par une double pompe externe ou deux pompes externes, intercalées entre le générateur et les circuits externes comportant notamment des échangeurs de chaleur. Un des exemples est décrit dans la publication WO 2005/0430052 déposée par le même demandeur. Dans ce type de générateur, les pompes sont d'un type connu en soi et doivent être alimentées en puissance pour pouvoir fonctionner, notamment en courant électrique, ce qui pénalise le rendement énergétique global du générateur. Furthermore, other magnetocaloric generators are known in which the coolant is forced into circulation by an external double pump or two external pumps, interposed between the generator and the external circuits including heat exchangers. One of the examples is described in the publication WO 2005/0430052 filed by the same applicant. In this type of generator, the pumps are of a type known per se and must be supplied with power to be able to operate, in particular in electric current, which penalizes the overall energy efficiency of the generator.
Exposé de l'invention : Presentation of the invention
La présente invention vise à améliorer le rendement d'un générateur magnétocalorique en vue d'augmenter son pouvoir calorifique et sa rentabilité économique, tout en conservant son aspect modulaire qui lui permet d'être facilement configurable en fonction d'un cahier des charges donné dans le cadre d'applications aussi bien industrielles que domestiques. The present invention aims to improve the efficiency of a magnetocaloric generator in order to increase its heating value and its economic profitability, while retaining its modular aspect which allows it to be easily configurable according to a specification given in the framework of both industrial and domestic applications.
Dans ce but, l'invention concerne un générateur magnétocalorique du genre indiqué en préambule, caractérisé qu'il comporte des moyens de circulation forcée du fluide caloporteur, ces moyens étant intégrés audit générateur et couplés audit arbre moteur pour être entraînés par le même actionneur que celui dudit arrangement magnétique. For this purpose, the invention relates to a magnetocaloric generator of the kind indicated in the preamble, characterized in that it comprises means for forced circulation of the coolant, these means being integrated with said generator and coupled to said motor shaft to be driven by the same actuator as that of said magnetic arrangement.
Grâce à cette construction, le générateur est équipé de moyens de circulation forcée assurant un brassage du fluide à l'intérieur du générateur qui a pour effet de renouveler systématiquement le fluide poussé à travers les éléments actifs. De plus, ces moyens de circulation forcée sont activés par un seul et même actionneur. On augmente ainsi le pouvoir calorifique du générateur sans pénaliser son rendement énergétique. Thanks to this construction, the generator is equipped with forced circulation means ensuring a mixing of the fluid inside the generator which has the effect of systematically renewing the fluid pushed through the active elements. In addition, these forced circulation means are activated by one and the same actuator. This increases the calorific value of the generator without penalizing its energy efficiency.
Selon les variantes de réalisation, les moyens de circulation forcée peuvent être rapportés sur le générateur et/ou disposés à l'intérieur du générateur. According to the embodiments, the forced circulation means can be reported on the generator and / or arranged inside the generator.
Dans une forme de réalisation, les moyens de circulation forcée comportent au moins une pompe à piston pourvu d'un corps de pompe rapporté sur le corps du générateur, un arbre récepteur couplé en rotation avec l'arbre moteur, au moins un piston logé dans le corps de pompe et commandé en translation alternative par l'arbre récepteur, et des passages de fluide mettant en communication le volume intérieur de la pompe avec le volume intérieur du générateur. 3 Les moyens de commande en translation alternative dudit piston par ledit arbre récepteur peuvent comporter une transmission à came. In one embodiment, the forced circulation means comprise at least one piston pump provided with a pump body attached to the body of the generator, a receiver shaft coupled in rotation with the drive shaft, at least one piston housed in the pump body and reciprocally controlled by the receiving shaft, and fluid passages communicating the internal volume of the pump with the internal volume of the generator. The control means in alternative translation of said piston by said receiver shaft may comprise a cam transmission.
Dans le cas où les moyens de poussée comportent au moins un piston agencé pour pousser le fluide caloporteur au travers des éléments actifs et entraîné en translation alternative par au moins une came couplée en rotation avec ledit arbre moteur, les moyens de circulation forcée peuvent comporter au moins une pompe à piston pourvue d'au moins un piston central porté librement par ledit arbre moteur et entraîné en translation alternative par ladite came. Dans ce cas, la came peut être pourvue d'une couronne dentée intérieure couplée en rotation avec l'arbre moteur au moyen d'un train d'engrenages à pignons satellites. In the case where the thrust means comprise at least one piston arranged to push the coolant through the active elements and driven in alternative translation by at least one cam coupled in rotation with said drive shaft, the forced circulation means may comprise at least one piston pump provided with at least one central piston freely carried by said motor shaft and driven in alternating translation by said cam. In this case, the cam may be provided with an inner ring gear rotatably coupled to the motor shaft by means of a gear train with planet gears.
Les moyens de circulation forcée peuvent également comporter des petits pignons satellites disposés autour dudit axe central, portés par le corps du générateur et engrenant une couronne dentée intérieure solidaire de la came, et des passages de fluide, chaque petit pignon satellite formant une mini pompe à engrenage. Ces moyens de circulation forcée peuvent en plus comporter au moins une turbine couplée audit arbre moteur. The forced circulation means may also comprise small satellite wheels arranged around said central axis, carried by the body of the generator and meshing with an inner ring gear integral with the cam, and fluid passages, each small satellite pinion forming a mini-pump. gear. These forced circulation means may further comprise at least one turbine coupled to said motor shaft.
Dans une autre variante de réalisation, les moyens de circulation forcée peuvent comporter au moins un pignon satellite engrenant un pignon moteur solidaire dudit arbre moteur et associé à un corps de pompe pourvu de canaux de circulation du fluide caloporteur, ledit pignon satellite associé audit corps de pompe formant une pompe à engrenage. In another variant embodiment, the forced circulation means may comprise at least one planet pinion meshing with a motor pinion integral with said motor shaft and associated with a pump body provided with heat transfer fluid circulation channels, said satellite pinion associated with said body of pump forming a gear pump.
Description sommaire des dessins : La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un générateur magnétocalorique selon l'invention à un étage thermique, la figure 2 est une vue en coupe axiale du générateur de la figure 1, la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un premier mode de réalisation des moyens de circulation forcée du fluide caloporteur du générateur de la figure 1, la figure 4 est une vue de détail agrandie de la figure 3, la figure 5 est une vue partielle en perspective d'un deuxième mode de réalisation des moyens de circulation forcée du fluide caloporteur, la figure 6 est une vue en perspective du corps de pompe faisant partie des moyens de circulation forcée de la figure 5, la figure 7 est une vue en perspective partiellement coupée d'un troisième mode de réalisation des moyens de circulation forcée du fluide caloporteur, la figure 8 est une vue en plan de la figure 7, la figure 9 est une coupe axiale de la figure 8 selon la ligne de coupe IX-IX, la figure 10 est une vue en coupe axiale du générateur de la figure 1 associé à un quatrième mode de réalisation des moyens de circulation forcée du fluide caloporteur, la figure 11 est une vue de côté des moyens de circulation forcée de la figure 10, et la figure 12 est une vue de face de la figure 11. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention and its advantages will appear better in the following description of two embodiments given by way of non-limiting example, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a perspective view of a magnetocaloric generator according to the invention with a thermal stage, FIG. 2 is a view in axial section of the generator of FIG. 1, FIG. 3 is a partial perspective view of a first embodiment of the forced circulation means of FIG. heat transfer fluid of the generator of Figure 1, Figure 4 is an enlarged detail view of Figure 3, Figure 5 is a partial perspective view of a second embodiment of the forced circulation means of the heat transfer fluid, the figure 6 is a perspective view of the pump body forming part of the forced circulation means of FIG. 5, FIG. 7 is a partially cutaway perspective view of a FIG. third embodiment of the forced circulation means for the coolant, FIG. 8 is a plan view of FIG. 7, FIG. 9 is an axial section of FIG. 8 along the IX-IX section line, FIG. an axial sectional view of the generator of FIG. 1 associated with a fourth embodiment of the forced circulation means of the coolant, FIG. 11 is a side view of the forced circulation means of FIG. 10, and FIG. a front view of Figure 11.
Illustrations de l'invention et différentes manières de la réaliser : En référence aux figures 1 et 2, le générateur magnétocalorique 1 selon l'invention, appelé par la suite générateur 1, comprend au moins un étage thermique 10 comportant des éléments actifs 2 à base de matériau magnétocalorique, disposés en couronne autour d'un axe central A, et soumis à une variation de champ magnétique pour faire varier leur température selon le cycle de Carnot, et créer alternativement dans ces éléments actifs 2 un cycle de chauffage et un cycle de refroidissement. Le nombre d'étages thermiques 10 est déterminé en fonction du cahier des charges du générateur 1, et notamment du gradient de température souhaité, chaque étage thermique 10 pouvant constituer un module emboîtable et empilable. La variation de champ magnétique est par exemple générée au moyen d'un arrangement magnétique 3 disposé à l'intérieur des éléments actifs 2, entraîné en rotation autour de l'axe central A par un actionneur et associé à un dispositif de fermeture de champ 4 disposé à l'extérieur de la couronne d'éléments actifs 2. Cet arrangement magnétique 3 peut comporter des aimants permanents ou similaires, portés par un arbre moteur 30 (cf. Fig. 3 et 7 à 9) symbolisé sur les autres figures par l'axe central A, et entraînés par tout type d'actionneur connu (non représenté), en rotation continue ou non, alternative ou non. Illustrations of the invention and various ways of carrying it out: With reference to FIGS. 1 and 2, the magnetocaloric generator 1 according to the invention, hereinafter referred to as generator 1, comprises at least one thermal stage 10 comprising active elements 2 based on of magnetocaloric material, arranged in a ring around a central axis A, and subjected to a variation of the magnetic field to vary their temperature according to the Carnot cycle, and to create alternately in these active elements 2 a heating cycle and a cycle of cooling. The number of thermal stages 10 is determined according to the specifications of the generator 1, and in particular the desired temperature gradient, each thermal stage 10 can constitute a nestable and stackable module. The magnetic field variation is for example generated by means of a magnetic arrangement 3 disposed inside the active elements 2, rotated about the central axis A by an actuator and associated with a field closing device 4 disposed outside the ring of active elements 2. This magnetic arrangement 3 may comprise permanent magnets or the like, carried by a motor shaft 30 (see FIGS 3 and 7 to 9), symbolized in the other figures by FIG. central axis A, and driven by any type of known actuator (not shown), in continuous rotation or not, alternative or not.
Les éléments actifs 2 peuvent se présenter sous différentes formes, à savoir une couronne formée d'une pièce unique ou d'un assemblage de pièces adjacentes, de sections géométriques ou non, en matériau plein perforé ou micro-perforé, en matériau poreux, en poudre ou en particules agglomérées, en lamelles superposées axialement ou radialement, etc. à partir d'un même matériau magnétocalorique ou d'un assemblage de différents matériaux magnétocaloriques, associés ou non à d'autres matériaux thermiquement conducteurs. The active elements 2 may be in different forms, namely a crown formed of a single piece or an assembly of adjacent pieces, of geometrical sections or not, perforated or micro-perforated solid material, porous material, powder or agglomerated particles, axially or radially superposed lamellae, etc. from the same magnetocaloric material or an assembly of different magnetocaloric materials, associated or not with other thermally conductive materials.
Ce générateur 1 contient au moins un fluide caloporteur agencé pour collecter les calories et les frigories produites par les éléments actifs 2 au cours des cycles de chauffage et de refroidissement successifs, et les stocker respectivement dans une chambre d'échange dite chaude 5 et une chambre d'échange dite froide 6 disposées aux extrémités chaude et froide dudit générateur fermées par des couvercles 50, 60. Ces chambres d'échange 5, 6 sont destinées à échanger les calories et les frigories collectées avec des circuits extérieurs d'utilisation via par exemple d'échangeurs de chaleur (non représenté) raccordés à des embouts 51, 61. This generator 1 contains at least one heat transfer fluid arranged to collect the calories and frigories produced by the active elements 2 during successive heating and cooling cycles, and store them respectively in a so-called hot exchange chamber 5 and a chamber so-called cold exchange 6 disposed at the hot and cold ends of said generator closed by lids 50, 60. These exchange chambers 5, 6 are intended to exchange the calories and the frigories collected with external circuits of use via, for example heat exchangers (not shown) connected to tips 51, 61.
Plus particulièrement en référence à la figure 2, ce générateur 1 comporte, de part et d'autre de l'étage thermique 10, des moyens de poussée 7 du fluide caloporteur au travers des éléments actifs 2, sous la forme de pistons 70 disposés en regard des éléments actifs 2 et entraînés en translation alternative par au moins une came 71, solidaire de l'arbre moteur, elle-même entraînée en rotation autour de l'axe central A par l'actionneur qui commande la rotation de l'arrangement magnétique 3. Dans le cas où le générateur 1 comporte plusieurs étages thermiques 10, les moyens de poussée 7 peuvent être communs à deux étages thermiques 10 consécutifs. Ces moyens de poussée 7 sont logés dans un corps 72 creux, qui peut être agencé pour s'assembler au dispositif de fermeture de champ 4 d'une part et aux couvercles 50, 60 d'autre part, notamment par emboîtement de formes complémentaires mâles/femelles, comme dans l'exemple des figures 1 à 3. Bien entendu, tout autre moyen d'assemblage peut être envisagé, avec ou sans enveloppe extérieure. Dans l'exemple illustré, des joints toriques ou similaires (non représentés) sont intercalés entre chaque pièce pour rendre cet assemblage étanche, qui est maintenu serré par des tirants 11 ou similaires, uniformément répartis sur la périphérie du générateur 1. Toujours dans l'exemple illustré à la figure 2, le corps 72 est réalisé en deux demi-coques assemblées radialement, délimitant une chambre 73 pour les pistons 70 et un réservoir 74 contenant le fluide caloporteur. Ce corps 72 comporte également des paliers 75 pour guider la came 71 en rotation. La came 71 comporte un profil de came 71a par exemple sinusoïdal, circulant dans une gorge 70a ménagée dans chaque piston 70. More particularly with reference to FIG. 2, this generator 1 comprises, on either side of the thermal stage 10, means 7 for thrusting the heat transfer fluid through the active elements 2, in the form of pistons 70 arranged in view of the active elements 2 and driven in alternative translation by at least one cam 71, integral with the motor shaft, itself driven in rotation about the central axis A by the actuator which controls the rotation of the magnetic arrangement 3. In the case where the generator 1 comprises several thermal stages 10, the thrust means 7 may be common to two consecutive thermal stages 10. These thrusting means 7 are housed in a hollow body 72, which can be arranged to be assembled to the field closing device 4 on the one hand and to the covers 50, 60 on the other hand, in particular by interlocking complementary male shapes. / females, as in the example of Figures 1 to 3. Of course, any other means of assembly can be envisaged, with or without outer casing. In the illustrated example, O-rings or the like (not shown) are interposed between each piece to make this assembly tight, which is held tight by ties 11 or the like, uniformly distributed on the periphery of the generator 1. Still in the example shown in Figure 2, the body 72 is formed in two half-shells assembled radially, defining a chamber 73 for the pistons 70 and a reservoir 74 containing the heat transfer fluid. This body 72 also comprises bearings 75 for guiding the cam 71 in rotation. The cam 71 comprises a cam profile 71a, for example sinusoidal, circulating in a groove 70a formed in each piston 70.
Le générateur 1 selon l'invention se distingue de l'état de la technique en ce qu'il comporte des moyens de circulation forcée intégrés 8a, 8b, 8c, 8d agencés pour créer une circulation forcée du fluide caloporteur au moins dans le ou les réservoirs 74 de fluide et dans la ou les chambres 73 des pistons 70, selon que le générateur 1 comporte un ou plusieurs étages thermiques 10, ces réservoirs 74 de fluide pouvant être communicants ou non. Ces moyens de circulation forcée 8a, 8b, 8c, 8d sont conçus pour s'intégrer audit générateur 1, soit dans son volume intérieur comme dans les modes de réalisation illustrés aux figures 2 à 9, soit rapporté comme dans le mode de réalisation illustré aux figures 10 à 12. Dans tous les cas, ils se rapportent sur l'arbre moteur de l'arrangement magnétique 3 et sont entraînés par le même actionneur, ce qui permet une construction compacte et une seule alimentation de puissance. The generator 1 according to the invention differs from the state of the art in that it comprises integrated forced circulation means 8a, 8b, 8c, 8d arranged to create a forced circulation of the coolant at least in the one or more fluid reservoirs 74 and in the chamber or chambers 73 of the pistons 70, depending on whether the generator 1 comprises one or more thermal stages 10, these fluid reservoirs 74 may be communicating or not. These forced circulation means 8a, 8b, 8c, 8d are designed to integrate with said generator 1, either in its internal volume as in the embodiments illustrated in FIGS. 2 to 9, or reported as in the embodiment illustrated in FIGS. Figures 10 to 12. In all cases, they relate to the motor shaft of the magnetic arrangement 3 and are driven by the same actuator, which allows a compact construction and a single power supply.
Ces moyens de circulation forcée 8a, 8b, 8c, 8d permettent de créer un brassage du fluide caloporteur dans chaque réservoir 74, suivant un cycle en boucle ou un cycle alterné selon le type de moyens utilisés, pour mélanger le fluide avant et après son passage à travers les éléments actifs 2, à savoir la fraction de fluide chargée de calories et la fraction de fluide chargée de frigories, de manière à équilibrer la température de ce fluide dans chaque réservoir 74, et à renouveler en permanence le fluide dans les chambres 73 qui est poussé à travers les éléments actifs 2 par les pistons 70, ayant pour effet de faciliter la création et le maintien d'un gradient de température entre l'entrée et la sortie desdits éléments actifs 2, et par conséquent d'augmenter simultanément le gradient de température entre deux étages thermiques 10 consécutifs, et la puissance thermique globale du générateur 1. These forced circulation means 8a, 8b, 8c, 8d make it possible to create a stirring of the coolant in each tank 74, according to a loop cycle or an alternating cycle depending on the type of means used, to mix the fluid before and after its passage. through the active elements 2, namely the fraction of fluid loaded with calories and the fluid fraction charged with frigories, so as to balance the temperature of this fluid in each tank 74, and to constantly renew the fluid in the chambers 73 which is pushed through the active elements 2 by the pistons 70, having the effect of facilitating the creation and maintenance of a temperature gradient between the inlet and the outlet of said active elements 2, and consequently of simultaneously increasing the temperature gradient between two consecutive thermal stages 10, and the overall thermal power of the generator 1.
Dans le premier mode de réalisation illustré aux figures 2 à 4, les moyens de circulation forcée 8a comportent un ensemble de petits pignons 80 satellites, disposés en cercle autour de l'axe central A, portés par le corps 72 et libres en rotation autour d'axes B solidaires dudit corps 2. Pour des questions de clarté, la partie droite de la figure 2 est épurée et ne montre pas les petits pignons 80, seul un petit pignon 80 est représenté sur la figure 3 et la came 71 n'est pas représentée dans le détail de la figure 4. Ces pignons 80 engrènent une couronne dentée 81 solidaire de la came 71 et entraînée en rotation autour de l'axe central A. La rotation de la came 71 fait tourner la couronne dentée 81 qui entraîne la rotation des petits pignons 80 fonctionnant comme des mini-pompes à engrenage, c'est-à-dire entraînant par leur denture le fluide caloporteur contenu dans le réservoir 74 en direction des pistons 70 et des éléments actifs 2, pour créer une circulation du fluide en boucle. A cet effet, le corps 72 délimite un corps de pompe 84 pour chaque petit pignon 80, et des passages de fluide 82 (cf fig. 4) sous la forme de canaux, de rainures, d'orifices ou similaires, sont ménagés dans le corps 72 et dans la came 71 pour mettre en communication, dès l'ouverture d'un passage dans une des chambres 73, le réservoir 74 avec la chambre d'échange correspondante 5, 6 ou un réservoir 74 voisin si le générateur 1 comporte plusieurs étages thermiques 10, d'une part, et avec la chambre 73 des pistons 70 d'autre part. Les petits pignons 80 sont de préférence disposés à proximité des pistons 70. Ainsi, la fraction de fluide caloporteur poussée au travers des éléments actifs 2 est renouvelée en permanence. Ces moyens de circulation forcée 8a comportent également une turbine 83 centrale, solidaire de la came 71 et entraînée en rotation autour de l'axe central A pour augmenter encore le brassage du fluide caloporteur au sein du réservoir 74. A cet effet, la came 71 comporte à proximité des pales de la turbine 83 des passages de fluide 82 traversant pour permettre la circulation du fluide caloporteur de part en part de la turbine 83 et de la came 71. Dans ce mode de réalisation, la pièce constituant la came 71 combine plusieurs fonctions : l'entraînement en translation alternative des pistons 70 pour pousser le fluide caloporteur à travers les éléments actifs 2, l'entraînement des petits pignons 80 pour créer des mini-pompes à engrenage forçant la circulation du fluide caloporteur en direction des pistons 70 et des éléments actifs 2, et le brassage forcé du fluide caloporteur dans le réservoir 74. Bien entendu et en fonction des variantes de réalisation, la came 71 peut être proposée avec ou sans turbine 83, et avec ou sans les petits pignons 80. In the first embodiment illustrated in Figures 2 to 4, the forced circulation means 8a comprise a set of small pinions 80 satellites, arranged in a circle around the central axis A, carried by the body 72 and free to rotate around B axes integral with said body 2. For reasons of clarity, the right part of Figure 2 is refined and does not show the small pinions 80, only a small pinion 80 is shown in Figure 3 and the cam 71 is not shown in the detail of Figure 4. These pinions 80 meshing a ring gear 81 integral with the cam 71 and rotated about the central axis A. The rotation of the cam 71 rotates the ring gear 81 which causes the rotation of the small pinions 80 operating as mini-gear pumps, that is to say, causing by their toothing the heat transfer fluid contained in the tank 74 towards the pistons 70 and the active elements 2, to create a circulat ion of the fluid in loop. For this purpose, the body 72 delimits a pump body 84 for each small pinion 80, and fluid passages 82 (see FIG 4) in the form of channels, grooves, orifices or the like, are formed in the body 72 and in the cam 71 to put into communication, as soon as a passage in one of the chambers 73 opens, the reservoir 74 with the corresponding exchange chamber 5, 6 or a neighboring tank 74 if the generator 1 comprises several thermal stages 10, on the one hand, and with the chamber 73 of the pistons 70 on the other hand. The small pinions 80 are preferably arranged close to the pistons 70. Thus, the fraction of heat transfer fluid pushed through the active elements 2 is renewed continuously. These forced circulation means 8a also comprise a central turbine 83, integral with the cam 71 and rotated about the central axis A to further increase the mixing of the coolant within the tank 74. For this purpose, the cam 71 comprises in the vicinity of the blades of the turbine 83 fluid passages 82 passing through to allow the circulation of the coolant right through the turbine 83 and the cam 71. In this embodiment, the piece constituting the cam 71 combines several functions: the reciprocating translation drive of the pistons 70 to push the coolant through the active elements 2, driving the small pinions 80 to create mini-gear pumps forcing the circulation of the coolant towards the pistons 70 and active elements 2, and the forced mixing of the coolant in the tank 74. Of course and depending on the variants, the cam 71 can t be proposed with or without turbine 83, and with or without the small gables 80.
Dans le deuxième mode de réalisation illustré aux figures 5 et 6, les moyens de circulation forcée 8b comportent au moins un pignon 84 satellite, et dans l'exemple représenté trois pignons 84 satellites, ce nombre n'étant pas limitatif, disposés en cercle autour de l'axe central A, à égale distance ou non, portés par le corps 72 et libres en rotation autour d'axes C solidaires dudit corps 2. Ces pignons 84 engrènent un pignon moteur 85 (représenté par un trait de référence à la figure 5) solidaire de la came 71 et entraînée en rotation autour de l'axe central A. La rotation de la came 71 fait tourner le pignon moteur 85 qui entraîne la rotation des pignons 84 satellites fonctionnant comme des pompes à engrenage, c'est-à-dire entraînant par leur denture le fluide caloporteur contenu dans le réservoir 74 en direction des pistons 70 et des éléments actifs 2pour créer une circulation du fluide en boucle. A cet effet, ces pignons 84 sont associés à un corps de pompe 86 fixe monté dans le corps 72, pourvu de canaux 87 de circulation du fluide autour de chaque pignon 84 communiquant avec les passages de fluide 82 prévus dans la came 71 et le corps 72 en référence à l'exemple précédent. Ce corps de pompe 86 comporte également des passages de fluide 88 traversant pour permettre la circulation du fluide caloporteur de part en part du corps de pompe 86 et de la came 71. Dans ce mode de réalisation, le pignon moteur 85 joue également le rôle de la turbine 83 de l'exemple précédent, c'est-à-dire qu'il augmente le brassage du fluide caloporteur dans le réservoir 74. In the second embodiment illustrated in FIGS. 5 and 6, the forced circulation means 8b comprise at least one satellite pinion 84, and in the example represented three pinions 84 satellites, this number being nonlimiting, arranged in a circle around of the central axis A, at equal distance or not, carried by the body 72 and free in rotation around C integral axes of said body 2. These pinions 84 meshing with a motor pinion 85 (represented by a reference line in the figure 5) integral with the cam 71 and driven in rotation about the central axis A. The rotation of the cam 71 rotates the drive pinion 85 which causes the rotation of the planet gears 84 operating as gear pumps, that is, that is to say causing by their toothing the heat transfer fluid contained in the reservoir 74 in the direction of the pistons 70 and the active elements 2 to create a circulation of the fluid loop. For this purpose, these pinions 84 are associated with a fixed pump body 86 mounted in the body 72, provided with channels 87 for circulating the fluid around each pinion 84 communicating with the fluid passages 82 provided in the cam 71 and the body 72 with reference to the previous example. This pump body 86 also has through-flow fluid passages 88 for allowing the heat transfer fluid to flow through the pump body 86 and the cam 71. In this embodiment, the motor pinion 85 also plays the role of the turbine 83 of the preceding example, that is to say that it increases the mixing of the coolant in the tank 74.
Dans le troisième mode de réalisation illustré aux figures 7 à 9, les moyens de circulation forcée 8c comportent un piston central 90 animé d'un mouvement de translation alternative pour fonctionner comme une pompe à piston et créer une circulation du fluide alternée. Ce piston central 90 est monté libre en translation et en rotation sur l'arbre moteur 30 de l'arrangement magnétique 3. Cet arbre moteur 30 porte une roue dentée 91 qui engrène un ou plusieurs pignons 92, disposés en cercle autour de l'axe central A, à égale distance ou non, portés par le corps 72 et libres en rotation autour d'axes D solidaires dudit corps 72. Ces pignons 92 engrènent une couronne dentée 93 intérieure entraînant en rotation une came 94 autour de l'axe central A. La came 94 a la même fonction que la came 71 des exemples précédents et comporte le même type de profil de came 71a circulant dans la gorge 70a des pistons 70 pour les déplacer en translation alternative et pousser le fluide caloporteur dans les éléments actifs 2. Cette came 94 assure simultanément le déplacement en translation alternative du piston central 90 au moyen d'un doigt suiveur 95 circulant dans un chemin de came 96 ménagé en périphérie du piston central 90, ce chemin de came 96 ayant sensiblement une forme sinusoïdale (cf. fig. 9). La course axiale du piston central 90 est limitée par le corps 72 d'un côté et la roue dentée 91 de l'autre côté. Comme dans les exemples précédents, des passages de fluide 82 sont ménagés dans le corps 72 pour permettre la circulation du fluide caloporteur entre le ou les réservoirs 74 et la chambre 73 des pistons 70. In the third embodiment illustrated in FIGS. 7 to 9, the forced circulation means 8c comprise a central piston 90 animated with an alternative translatory movement to function as a piston pump and to create a circulation of the alternating fluid. This central piston 90 is mounted free in translation and in rotation on the motor shaft 30 of the magnetic arrangement 3. This drive shaft 30 carries a toothed wheel 91 which meshes with one or more pinions 92, arranged in a circle around the axis central A, equidistantly or not, carried by the body 72 and free in rotation about pins D integral with said body 72. These pinions 92 meshing with an inner ring gear 93 rotating a cam 94 about the central axis A The cam 94 has the same function as the cam 71 of the preceding examples and comprises the same type of cam profile 71a circulating in the groove 70a of the pistons 70 to move them in alternative translation and push the coolant into the active elements 2. This cam 94 simultaneously ensures the reciprocating displacement of the central piston 90 by means of a follower pin 95 flowing in a cam path 96 formed at the periphery of the central piston 90, this cam path. 96 having substantially a sinusoidal shape (cf. Fig. 9). The axial stroke of the central piston 90 is limited by the body 72 on one side and the toothed wheel 91 on the other side. As in the previous examples, fluid passages 82 are formed in the body 72 to allow the circulation of the coolant between the reservoir (s) 74 and the chamber 73 of the pistons 70.
Dans le quatrième mode de réalisation illustré aux figures 10 à 12, les moyens de circulation forcée 8d comportent une pompe à pistons 100 rapportée sur un des couvercles 50 et pourvue d'un arbre récepteur 101 couplé en rotation à l'arbre moteur (non représenté) autour de l'axe central A, et entraîné par l'actionneur de l'arrangement magnétique 3. Cette pompe à pistons 100 comporte un corps 102 définissant au moins une chambre 103 dans laquelle se déplace au moins un piston 104 en translation alternative pour créer une circulation du fluide alternée. Dans l'exemple représenté, les pistons 104 sont au nombre de quatre, ce nombre n'étant pas limitatif, logés chacun dans une chambre 103, disposés autour de l'axe central A à égale distance, mais pas nécessairement. A cet effet, l'arbre récepteur 101 porte un doigt suiveur 105 circulant dans un chemin de came 106 ménagé dans les pistons 104 (cf. fig. 12). La course axiale des pistons 104 est limitée par les parois des chambres 103. Des passages de fluide 107 sont ménagés dans chaque chambre 103 du corps 102, dans le ou les couvercles 50 et 60, dans le ou les corps 72, pour permettre la circulation du fluide caloporteur entre les chambres 103 des pistons 104 et l'intérieur du générateur 1, à savoir dans les chambres d'échange 5 et 6, mais aussi et surtout dans les réservoirs 74. Le nombre de pistons 104 n'étant pas limitatif, on peut prévoir que chaque piston 104 est associé à un réservoir 74 dans un générateur 1 comportant plusieurs étages thermiques 10. Selon les variantes de réalisation, ces moyens de circulation forcée 8d peuvent être utilisés seuls ou combinés avec l'un ou l'autre des moyens de circulation forcée 8a, 8b ou 8c. In the fourth embodiment illustrated in Figures 10 to 12, the forced circulation means 8d comprise a piston pump 100 attached to one of the covers 50 and provided with a receiving shaft 101 rotatably coupled to the motor shaft (not shown ) around the central axis A, and driven by the actuator of the magnetic arrangement 3. This piston pump 100 comprises a body 102 defining at least one chamber 103 in which at least one piston 104 moves in alternative translation for create a circulation of the alternating fluid. In the example shown, the pistons 104 are four in number, this number not being limiting, each housed in a chamber 103, arranged around the central axis A equidistantly, but not necessarily. For this purpose, the receiving shaft 101 carries a follower pin 105 flowing in a cam path 106 formed in the pistons 104 (see Fig. 12). The axial stroke of the pistons 104 is limited by the walls of the chambers 103. Fluid passages 107 are formed in each chamber 103 of the body 102, in the cover or covers 50 and 60, in the body or bodies 72, to allow the circulation heat transfer fluid between the chambers 103 of the pistons 104 and the inside of the generator 1, namely in the exchange chambers 5 and 6, but also and especially in the tanks 74. The number of pistons 104 is not limiting, it can be provided that each piston 104 is associated with a reservoir 74 in a generator 1 having a plurality of thermal stages 10. According to the alternative embodiments, these forced circulation means 8d can be used alone or in combination with one or the other of forced circulation means 8a, 8b or 8c.
Le fonctionnement du générateur 1 consiste à entraîner avec un même actionneur (non représenté) la rotation de l'arrangement magnétique 3 pour créer les cycles de chauffage et de refroidissement au sein des éléments actifs 2, la rotation des cames 71 pour déplacer les pistons 70 en translation alternative de manière à pousser le fluide caloporteur à travers lesdits éléments actifs 2, la rotation des moyens 8a à 8d pour brasser le fluide caloporteur dans les réservoirs 74 et le mettre en circulation forcée, pour homogénéiser sa température entre chaque étage thermique 10. L'empilage de plusieurs étages thermiques 10 permet ainsi d'augmenter en cascade le gradient de température entre les chambres d'échange chaude 5 et froide 6 disposées aux extrémités et conçues pour que les calories et frigories collectées puissent être véhiculées vers des circuits extérieurs d'utilisation (chauffage, climatisation, tempérage, etc.), soit par conduction, soit par échangeur de chaleur (non représenté). The operation of the generator 1 comprises driving with the same actuator (not shown) the rotation of the magnetic arrangement 3 to create the heating and cooling cycles within the active elements 2, the rotation of the cams 71 to move the pistons 70 in alternative translation so as to push the coolant through said active elements 2, the rotation of the means 8a to 8d to stir the heat transfer fluid in the tanks 74 and put it into forced circulation, to homogenize its temperature between each thermal stage 10. The stacking of several thermal stages 10 thus makes it possible to increase in cascade the temperature gradient between the hot and cold exchange chambers 6 disposed at the ends and designed so that the calories and frigories collected can be conveyed to external circuits of use (heating, air conditioning, tempering, etc.), either by conduction or by heat exchanger (not shown).
Le fluide caloporteur utilisé est de préférence liquide. On choisira une composition chimique du fluide caloporteur adaptée à la plage de température voulue afin d'obtenir un échange thermique maximal. Ce fluide peut donc être liquide, gazeux ou diphasique. S'il est liquide, on utilisera par exemple de l'eau pure pour des températures positives et de l'eau additionnée d'antigel, par exemple un produit glycolé ou une saumure pour des températures négatives. The heat transfer fluid used is preferably liquid. We will choose a chemical composition of the heat transfer fluid adapted to the desired temperature range to obtain maximum heat exchange. This fluid can be liquid, gaseous or diphasic. If it is liquid, one will use for example pure water for positive temperatures and water added antifreeze, for example a glycol product or a brine for negative temperatures.
Possibilités d'application industrielle : Possibilities of industrial application:
Toutes les pièces qui composent le générateur 1 selon l'invention peuvent être réalisées en série selon des processus industriels reproductibles. Toutes ces pièces à l'exception des éléments actifs 2 et des moyens magnétiques 3, 4 peuvent être réalisées dans des matériaux thermiquement isolants moulés, injectés ou similaires. Les étages thermiques 10 peuvent être assemblés par tout moyen d'étanchéité approprié et tout moyen de fixation adéquat connu, comme des tirants 11 (cf fig. 1). La réalisation du générateur 1 par étages thermiques 10, compacts et empilables, qui peuvent être standardisés, permet de répondre à une large gamme d'applications aussi bien industrielles que domestiques, à des coûts compétitifs, dans un faible encombrement, en offrant des performances de pouvoir calorifique non égalées à ce jour avec ce type de générateurs. All the parts that make up the generator 1 according to the invention can be produced in series according to reproducible industrial processes. All these parts except active elements 2 and magnetic means 3, 4 can be made of thermally insulating materials molded, injected or the like. The thermal stages 10 may be assembled by any appropriate sealing means and any known suitable fastening means, such as tie rods 11 (see Fig. 1). The construction of the generator 1 by thermal stages 10, compact and stackable, which can be standardized, makes it possible to respond to a wide range of industrial and domestic applications, at competitive costs, in a small footprint, by offering high performance. calorific value not equaled to date with this type of generators.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. 13 The present invention is not limited to the embodiments described but extends to any modification and variation obvious to a person skilled in the art while remaining within the scope of protection defined in the appended claims. 13
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